JP2007057544A - ガス濃度センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子抵抗検出時にガス濃度の検出値が異常となることを防止し、検出された素子抵抗により正確なガス濃度制御を実施すること。
【解決手段】マイコン（マイクロコンピュータ）２０による電圧の印加に伴い内燃機関１０からの排気ガス中のガス濃度を検出するガス濃度センサとして例えば、Ａ／Ｆセンサ３０から酸素濃度に比例したＡ／Ｆ信号が出力される。素子抵抗検出時には、マイコン２０からのバイアス指令信号ＶｒがＤ／Ａ変換器２１でアナログ信号Ｖｂに変換され、ＬＰＦ２２を介して高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃがバイアス制御回路４０に入力される。この素子抵抗検出の期間には、正確なＡ／Ｆ信号が出力されないため、Ｓ／Ｈ（サンプルホールド）回路７０にてそれまでのＡ／Ｆ信号が保持されることで誤ったＡ／Ｆ信号が用いられることなく、検出された素子抵抗により正確なＡ／Ｆ制御が実施できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、車載用内燃機関の排気ガス中のガス濃度を検出するためのガス濃度センサを用いて素子抵抗を検出する際、または使用する際のガス濃度センサの制御装置に関するものである。

従来、自動車への応用を始めとして、ガス濃度を検出するガス濃度センサを用いたガス濃度センサとして例えば、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置が以下に述べるように提案されている。

近年の車載用内燃機関の空燃比制御においては、例えば、制御精度を高めるといった要望やリーンバーン化への要望があり、これらの要望に対応すべく、内燃機関に吸入される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ：排気ガス中の酸素濃度に対応して算出）を広域かつリニアに検出するリニア式空燃比センサ（酸素濃度センサ）が具体化されている。このような空燃比センサにおいて、この検出精度を維持するには空燃比センサを活性状態に保つことが不可欠であり、一般には空燃比センサに付設されたヒータに通電制御することによりセンサ素子（空燃比センサの素子）を加熱して活性状態を維持するようにしている。

ところで、かかるヒータの通電制御においては、センサ素子の温度（素子温）を検出してその素子温が所望の活性化温度（例えば、約７００℃）になるようにフィードバック制御を実施する技術が従来より開示されている。この場合、その時々の素子温を検出するには、センサ素子に温度センサを付設しその検出結果から導出すことも考えられるが、それでは温度センサを付加する必要からコスト高となる。そこで、センサ素子の抵抗（素子抵抗）が素子温に対して所定の対応関係を有することを利用して素子抵抗を検出し、その検出された素子抵抗から素子温を導出すことが提案されている。なお、素子抵抗の検出結果は、例えば、空燃比センサの劣化度合の判定等にも用いられる。

図３４は、従来より用いられている素子抵抗検出を説明する波形図であり、これは限界電流式酸素濃度センサを内燃機関制御用の空燃比センサとして用いる事例を示す。即ち、図３４の時刻ｔ０１１以前においては空燃比検出のための所定電圧（正の印加電圧Ｖｐｏｓ）がセンサ素子に印加され、その印加電圧Ｖｐｏｓに対応して出力されるセンサ電流Ｉｐｏｓから空燃比（Ａ／Ｆ）が求められる。また、時刻ｔ０１１〜ｔ０１２では素子抵抗検出のための負の印加電圧Ｖｎｅｇが印加され、その時のセンサ電流Ｉｎｅｇが検出される。そして、負の印加電圧Ｖｎｅｇをその時のセンサ電流Ｉｎｅｇで除算することにより素子抵抗（素子インピーダンス）ＺＤＣが求められる（ＺＤＣ＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇ）。上記手法は、一般的に空燃比センサの直流特性を用いた素子抵抗の検出法として知られている。

また、上記従来技術は直流電圧をセンサ素子に印加して素子抵抗（直流インピーダンス）を検出するものであるが、これに対し特公平４−２４６５７号公報では交流電圧をセンサ素子に印加して素子抵抗（交流インピーダンス）を検出する技術が開示されている。かかる技術では、空燃比センサに交流を連続的に印加し、センサ出力をローパスフィルタ（ＬＰＦ）に通して空燃比を検出すると共に、同じくセンサ出力をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を通した後に平均化して交流インピーダンスを検出するようにしている。上記手法は、一般的に空燃比センサの交流特性を用いた素子抵抗の検出法として知られている。

ところで、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、前述の直流インピーダンス法によれば、矩形波の負の電圧印加Ｖｎｅｇを印加した際のセンサ電流Ｉｎｅｇが、図３４に示すように、急峻に変動してしまい、この際に酸素濃度を検出しようとすれば真の酸素濃度を検出することができなくなるという不具合があった。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、特公平４−２４６５７号公報に開示された交流インピーダンス法によれば、センサ出力をローパスフィルタに通して空燃比を検出するため、空燃比出力に位相遅れが発生すると共に、空燃比出力に交流ノイズが重畳し易いという問題を生ずる。特に内燃機関の運転状態が過渡状態にあるときには上記問題が顕著であった。

そして、マイクロコンピュータでは、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサに対する空燃比の検出処理、素子抵抗の検出処理、素子ヒータ制御処理のうち同一タイミングで実行される処理が多いほど、この回の処理負荷が増えることから処理時間が処理周期を超え次回の処理タイミングがずれてしまうという不具合があった。

更に、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗検出時に、センサ信号が微小信号であるためノイズが重畳すると求められた素子抵抗値が真値と大きく異なってしまうという不具合があった。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗を検出し印加する電圧をマップ選択するとき、センサ信号にノイズが重畳するとマップの選択が不安定となるという不具合があった。

そこで、この発明はかかる不具合を解決するためになされたもので、素子抵抗検出時にガス濃度の検出値が異常となることを防止するガス濃度センサの制御装置の提供を課題としている。また、検出された素子抵抗により正確なガス濃度制御を実施可能なガス濃度センサの制御装置の提供を課題としている。

請求項１のガス濃度センサの制御装置によれば、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗を検出するために、印加電圧を変化させセンサ電流を変化させるのであるが、このときには酸素濃度信号も変化してしまうため、このときの酸素濃度信号は真の酸素濃度信号ではないことになる。したがって、酸素濃度センサを用いて素子抵抗を検出するときには、ガス濃度センサからのガス濃度に応じた電流信号の使用を禁止する。これにより、素子抵抗検出時にあっては、酸素濃度信号の使用が禁止されるため、誤った酸素濃度信号が用いられることが防止される。

請求項２のガス濃度センサの制御装置によれば、さらに、前記ガス濃度センサからのガス濃度に応じた電流信号の使用を禁止する時には、それ以前のガス濃度に応じた電流信号を保持する。これにより、素子抵抗検出時にあっては、酸素濃度信号は素子抵抗検出タイミング以前のものが保持されるため、誤った酸素濃度信号が用いられることが防止される。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗を検出するために、印加電圧を変化させセンサ電流を変化させるのであるが、このときには酸素濃度信号も変化してしまうため、このときの酸素濃度信号は真の酸素濃度信号ではないことになる。したがって、酸素濃度センサを用いて素子抵抗を検出するときには、酸素濃度センサにおける電流変化が遮断され、素子抵抗検出のため電圧変化する以前の酸素濃度信号が保持され、実際の酸素濃度信号に一致するまでの間の酸素濃度信号の使用が禁止される。これにより、素子抵抗検出時にあっては、酸素濃度信号は素子抵抗検出タイミング以前のものが保持され、ローパスフィルタ等による信号のなまし分も考慮され素子抵抗検出中の酸素濃度信号の使用が禁止されるため、誤った酸素濃度信号が用いられることが防止される。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、最も早い処理タイミングで実行が必要な酸素濃度検出処理を基準にしてその他の素子抵抗検出処理や素子ヒータ制御処理が異なる処理タイミングにて実行できるように平滑化されるため、マイクロコンピュータの処理負荷を押さえることができる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗の変化が許容範囲の変化量となるように制限され、酸素濃度センサによる制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、酸素濃度センサの素子抵抗変化が所定の範囲の変化量までに制限されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗を素子使用状態に応じて適切な変化量の許容範囲によって丸めることができる。このため、素子抵抗の変化量制限を所定の条件に基づき変更して酸素濃度センサに対して安定した制御を実行させることができる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗の変化量制限を昇温中と昇温終了後で変えることで、酸素濃度センサに要求されている早期活性化を実現させながら安定した制御を実行させることができる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗の変化が許容範囲の変化量となるように制限され、酸素濃度センサによる制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、酸素濃度センサの素子抵抗変化に対して十分な応答性を持つローパスフィルタを通過させることで、素子抵抗変化が正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗が素子使用状態に応じて正常な素子抵抗変化に対して十分な応答性を持つようにローパスフィルタのカットオフ周波数を変化させる。即ち、素子抵抗検出で通過されるローパスフィルタのカットオフ周波数が所定の条件に基づき変更される。これにより、酸素濃度センサに対して安定した制御を実行させることができる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、昇温中の素子抵抗変化に対し十分な応答性を持つローパスフィルタと酸素濃度センサの昇温終了後の素子抵抗変化に対し十分な応答性を持つローパスフィルタとを昇温中と昇温終了後で切換えることで、酸素濃度センサに要求されている早期活性化を実現させながら安定した制御を実行させることができる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗の変化が許容範囲の変化量となるように制限され、かつローパスフィルタ処理されるため酸素濃度センサによる制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、酸素濃度センサの素子抵抗変化が所定の範囲の変化量までに制限され、素子抵抗変化に対して十分な応答性を持つローパスフィルタ処理されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、素子抵抗値の複数個が平均化され、異常データの影響が押さえられるため酸素濃度センサによる制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、酸素濃度センサの素子抵抗値の複数個が平均化されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、酸素濃度を検出するときに酸素濃度センサに印加された電圧が素子抵抗をパラメータとしたマップに基づき変化されるが、昇温終了後では素子抵抗の変化が少ないとしてマップが固定されるため酸素濃度センサに印加される電圧の範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と異なることから、センサに印加される電圧が異常となり、酸素濃度検出値が真値と異なることが防止できる。即ち、昇温終了後では酸素濃度センサの大きな素子抵抗変化が無視されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、酸素濃度を検出するときに酸素濃度センサに印加された電圧が素子抵抗をパラメータとしたマップに基づき変化されるが、このマップを選択するときの判定には、通常、昇温により酸素濃度センサの素子抵抗が徐々に減少するため素子抵抗の変化の方向によりマップ選択が逆行しないようにされるため酸素濃度センサによる制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と異なることからセンサに印加される電圧が異常となり、酸素濃度検出値と異なることが防止できる。即ち、酸素濃度センサの大きな素子抵抗変化が無視されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。

また、ガス濃度センサとして例えば、酸素濃度センサの場合、酸素濃度を検出するときに酸素濃度センサに印加された電圧が素子抵抗をパラメータとしたマップに基づき変化されるが、このマップを選択するときの判定には、通常、昇温により酸素濃度センサの素子抵抗が徐々に減少するため素子抵抗の変化の方向によりマップ選択が逆行しないようにされ、昇温終了後では素子抵抗の変化が少ないとしてマップが固定されるため酸素濃度センサによる制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、酸素濃度センサの素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで例えば、内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と異なることからセンサに印加される電圧が異常となり、酸素濃度検出値が真値と異なることが防止できる。即ち、酸素濃度センサの昇温中では素子抵抗の変化の方向が考慮され、昇温終了後では大きな素子抵抗変化が無視されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。なお、以下の実施例ではガス濃度を検出するガス濃度センサとして具体的な、酸素濃度を検出する酸素濃度センサを用いた酸素濃度センサの制御装置について述べる。

〈参考例１〉
図１は本発明の実施の形態の第１実施例にかかる酸素濃度センサの制御装置が適用された空燃比検出装置の構成を示す概略図である。なお、本実施例における空燃比検出装置は、自動車に搭載される内燃機関（ガソリンエンジン）の電子制御燃料噴射システムに採用され、この空燃比検出装置による検出結果に基づき内燃機関に供給する燃料噴射量を増減し所望の空燃比に制御する。以下、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手順及び空燃比センサの交流特性を用いた素子抵抗検出手順について詳細に説明する。

図１において、空燃比検出装置は酸素濃度センサとしての限界電流式空燃比センサ（以下、『Ａ／Ｆセンサ』と記す）３０を備え、このＡ／Ｆセンサ３０は、内燃機関１０の下流側に接続された排気通路１２に配設されている。Ａ／Ｆセンサ３０からは、マイクロコンピュータ（以下、『マイコン』と記す）２０から指令される電圧の印加に伴い、排気ガス中の酸素濃度に応じたリニアな空燃比検出信号が出力される。マイコン２０は、周知の各種演算処理を実行する中央処理装置としてのＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、各種データを格納するＲＡＭ、Ｂ／Ｕ（バックアップ）ＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従って後述のバイアス制御回路４０及びヒータ制御回路６０、サンプルホールド回路（以下、『Ｓ／Ｈ回路』と記す）７０、酸素濃度信号検出許可／禁止信号が制御される。

図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略構成を示す断面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は排気通路１２の内部に向けて突設されており、Ａ／Ｆセンサ３０は主として、カバー３３、センサ本体３２及びヒータ３１から構成されている。カバー３３は断面Ｕ字状であって、その周壁にはカバー３３の内外を連通する多数の小孔３３ａが形成されている。センサ素子部としてのセンサ本体３２は、空燃比リーン領域における酸素濃度、または空燃比リッチ領域における未燃ガスとして一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、水素（Ｈ２）等のガス濃度に対応する限界電流を発生する。

次に、センサ本体３２の構成について詳述する。センサ本体３２において、断面コップ状に形成された固体電解質層３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質層３４は、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＴｈＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなり、拡散抵抗層３５はアルミナ、マグネシア、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排気ガス側電極層３６の面積は１０〜１００ｍｍ２、厚さは０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積は１０ｍｍ２以上、厚さは０．５〜２．０μｍ程度となっている。

ヒータ３１は大気側電極層３７内に収容されており、その発熱エネルギによりセンサ本体３２（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３１はセンサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有している。

上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ本体３２は理論空燃比点よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると共に、このセンサ本体３２の活性温度範囲が狭いため、内燃機関１０の排気ガスのみによる加熱では素子温を活性領域に制御できない。このため、本実施例では、ヒータ３１への供給電力をデューティ比制御することにより、センサ本体３２を活性温度域にまで加熱するようにしている。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体３２は一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度に応じた限界電流を発生する。

次に、Ａ／Ｆセンサ３０の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）について図３のテーブルを参照して説明する。

図３によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流と印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３２の限界電流を特定する限界電流検出域であって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（即ち、リーン・リッチ）に対応している。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。

また、図３の電圧−電流特性において、電圧軸Ｖに平行な直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗支配域となっており、この抵抗支配域における一次直線部分の傾きは、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵抗である素子抵抗（素子インピーダンス）ＺＤＣにより特定される。この素子抵抗ＺＤＣは温度変化に伴い変化し、センサ本体３２の温度が低下すると素子抵抗ＺＤＣの増大によりその傾きが小さくなる。

一方、図１において、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号（ディジタル信号）Ｖｒはマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、このＤ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換されたのち、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。そして、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃはバイアス制御回路４０に入力される。このバイアス制御回路４０からはＡ／Ｆの検出電圧または素子抵抗の検出電圧の何れかがＡ／Ｆセンサ３０に印加される。即ち、バイアス制御回路４０からＡ／Ｆセンサ３０に対して、Ａ／Ｆ検出時には、図３に示す特性線Ｌ１を用いてこのときのＡ／Ｆに対応する所定の電圧Ｖｐが印加され、素子抵抗検出時には所定の周波数信号よりなる単発的かつ所定の時定数を持つ電圧が印加される。

また、バイアス制御回路４０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電流値を電流検出回路５０にて検出し、この電流検出回路５０にて検出された電流値のアナログ信号はＡ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。そして、電流検出回路５０にて検出された電流値は酸素濃度信号に変換され、サンプルホールド回路７０、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）７１を介してＡ／Ｆ（酸素濃度）信号として出力される。このバイアス制御回路４０の詳細な電気的構成については後述する。Ａ／Ｆセンサ３０に付設されたヒータ３１は、ヒータ制御回路６０によりその作動が制御される。つまり、ヒータ制御回路６０にて、Ａ／Ｆセンサ３０の素子温やヒータ温度に応じてバッテリ電源（図示略）からヒータ３１に供給される電力がデューティ比制御され、ヒータ３１の加熱制御が実行される。

次に、バイアス制御回路４０の電気的構成について図４の回路図に基づいて説明する。

図４において、バイアス制御回路４０は大別して、基準電圧回路４４と、第１の電圧供給回路４５と、第２の電圧供給回路４７と、電流検出回路５０とを有する。基準電圧回路４４にて、定電圧Ｖｃｃが分圧抵抗４４ａ，４４ｂにより分圧され一定の基準電圧Ｖａが生成される。

第１の電圧供給回路４５は電圧フォロア回路にて構成され、第１の電圧供給回路４５から基準電圧回路４４の基準電圧Ｖａと同じ電圧ＶａがＡ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２に供給される。より具体的には、正側入力端子が各分圧抵抗４４ａ，４４ｂの分圧点に接続されると共に負側入力端子がＡ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２に接続された演算増幅器４５ａと、この演算増幅器４５ａの出力端子に一端が接続された抵抗４５ｂと、この抵抗４５ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４５ｃ及びＰＮＰトランジスタ４５ｄとにより構成されている。ＮＰＮトランジスタ４５ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続され、エミッタは電流検出回路５０を構成する電流検出抵抗５０ａを介してＡ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ４５ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４５ｃのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。

第２の電圧供給回路４７も同様に電圧フォロア回路にて構成され、ＬＰＦ２２の出力電圧Ｖｃと同じ電圧ＶｃがＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に供給される。より具体的には、正側入力端子がＬＰＦ２２の出力に接続されると共に負側入力端子がＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に接続された演算増幅器４７ａと、この演算増幅器４７ａの出力端子に一端が接続された抵抗４７ｂと、この抵抗４７ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４７ｃ及びＰＮＰトランジスタ４７ｄとにより構成されている。ＮＰＮトランジスタ４７ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続され、エミッタは抵抗４７ｅを介してＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ４７ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４７ｃのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。

このような構成により、Ａ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２には常時一定電圧Ｖａが供給される。そして、ＬＰＦ２２を経由してＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に一定電圧Ｖａよりも低い電圧Ｖｃが印加されると、Ａ／Ｆセンサ３０が正バイアスされる。また、ＬＰＦ２２を経由してＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に一定電圧Ｖａよりも高い電圧Ｖｃが印加されると、Ａ／Ｆセンサ３０が負バイアスされる。

マイコン２０はＳ／Ｈ回路７０、Ａ／Ｆ（酸素濃度）信号検出許可／禁止信号を制御し、Ａ／Ｆ信号の安定を図る。即ち、Ｓ／Ｈ回路７０は通常、マイコン２０によりサンプル状態に設定され、Ｓ／Ｈ回路７０から現在のＡ／Ｆ信号が出力される。一方、Ｓ／Ｈ回路７０は素子抵抗検出時にはマイコン２０によりホールド状態に設定され、Ｓ／Ｈ回路７０からはそれ以前のサンプル状態におけるＡ／Ｆ信号が出力される。また、マイコン２０からは通常、Ａ／Ｆ信号検出許可信号が出力され、素子抵抗検出時にはＡ／Ｆ信号検出禁止信号が出力される。

次に、上述のように構成された空燃比検出装置の作用について説明する。

図５は、本発明の実施の形態の第１実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０における制御のメインルーチンを示すフローチャートであり、このメインルーチンはマイコン２０への電力供給開始に伴い起動される。

図５において、まず、ステップＳ１００で前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔ１が経過しているかが判定される。ここで、所定時間Ｔ１は、Ａ／Ｆの検出周期に相当する時間であって、例えば、２〜４ｍｓ程度に設定されるのが適当である。ステップＳ１００の判定条件が成立し、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔ１が経過しているときにはステップＳ２００に移行し、電流検出回路５０で検出されたセンサ電流Ｉｐ（限界電流）が読込まれ、予めＲＯＭ内に記憶されている特性マップを用いてその時のセンサ電流Ｉｐに対応する内燃機関１０のＡ／Ｆが検出される。このとき、図３に示す特性線Ｌ１を用いてその時のＡ／Ｆ検出結果に応じた電圧ＶｐがＡ／Ｆセンサ３０に印加される。

次に、ステップＳ３００に移行して、前回の素子抵抗検出時から所定時間Ｔ２が経過しているかが判定される。ここで、所定時間Ｔ２は、素子抵抗の検出周期に相当する時間であって、例えば、内燃機関１０の運転状態に応じて選択的に設定され、Ａ／Ｆの変化が比較的小さい通常時（定常運転時）には２ｓｅｃ、Ａ／Ｆの急変時（過渡運転時）には１２８ｍｓに設定される。ステップＳ３００の判定条件が成立しないときには、ステップＳ１００〜ステップＳ３００の処理が繰返され、所定時間Ｔ１の経過毎にＡ／Ｆが検出される。一方、ステップＳ３００の判定条件が成立し、前回の素子抵抗検出時から所定時間Ｔ２が経過しているときにはステップＳ４００に移行し、素子抵抗検出処理が実行されたのち、ステップＳ１００に戻り同様の処理が繰返し実行される。

次に、図５のステップＳ４００における素子抵抗検出処理のサブルーチンを示す図６について説明する。

図６において、まず、ステップＳ４０１で現時点でのＡ／Ｆがリーンであるかが判定される。ステップＳ４０１の判定条件が成立し、Ａ／ＦがリーンであるときにはステップＳ４０２に移行し、それまでの印加電圧Ｖｐ（Ａ／Ｆ検出電圧）に対して負側→正側の順に電圧を変化させる。一方、ステップＳ４０１の判定条件が成立せず、Ａ／ＦがリッチであるときにはステップＳ４０３に移行し、それまでの印加電圧Ｖｐに対して正側→負側の順に電圧を変化させる（バイアス指令信号Ｖｒが操作される）。

そして、ステップＳ４０２またはステップＳ４０３の印加電圧の切換処理ののちステップＳ４０４に移行し、電圧変化量ΔＶと電流検出回路５０で検出されたセンサ電流の変化量ΔＩとが読込まれる。次にステップＳ４０５に移行して、ΔＶ，ΔＩを用いて素子抵抗Ｒが算出され（Ｒ＝ΔＶ／ΔＩ）、本サブルーチンを終了する。

図７（ａ），（ｂ）はＡ／Ｆセンサ３０に印加される電圧（ＬＰＦ２２通過後の出力電圧Ｖｃ）の波形とその印加電圧に伴ってＡ／Ｆセンサ３０を流れるセンサ電流の波形とを示す。ここで、Ａ／Ｆがリーン（Ａ／Ｆ＝１８）のときには、図７（ａ）に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧が変化量ΔＶだけ負側に変化され、この電圧変化に対応するセンサ電流の負側への変化量ΔＩが検出される。なお、図中の印加電圧＝ａ〔Ｖ〕及びセンサ電流＝ｂ〔Ａ〕は、図３の点ａ，ｂに相当している。また、Ａ／Ｆがリッチ（Ａ／Ｆ＝１３）のときには、図７（ｂ）に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧が変化量ΔＶだけ正側に変化され、この電圧変化に対応するセンサ電流の正側への変化量ΔＩが検出される。なお、図中の印加電圧＝ｃ〔Ｖ〕及びセンサ電流＝ｄ〔Ａ〕は、図３の点ｃ，ｄに相当している。

このとき、リーンであれば負側へ電圧変化、リッチであれば正側へ電圧変化されセンサ電流が求められるため、このセンサ電流が電流検出回路５０のダイナミックレンジ（図３参照）を越えることはない。

一方、このようにして求められた素子抵抗Ｒは、素子温に対して図８に示す関係を有する。即ち、素子温が小さくなるほど素子抵抗Ｒが飛躍的に大きくなる関係を有する。素子抵抗Ｒ＝９０ΩはＡ／Ｆセンサ３０がある程度活性化している温度６００℃に対応し、素子抵抗Ｒ＝３０ΩはＡ／Ｆセンサ３０が十分に活性化している温度７００℃に対応している。そして、ヒータ制御に際しては、算出された素子抵抗ＲとＡ／Ｆセンサ３０が十分に活性化していると思われる目標抵抗値（例えば、３０Ω）との偏差をなくすために必要なヒータ３１の通電量が求められ、ヒータ３１に対する通電がデューティ比制御される。即ち、素子温フィードバック制御が実施される。

次に、本発明の実施の形態の第１実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図９のフローチャートに基づき、図１０のタイムチャートを参照して説明する。なお、以下の実施例の説明におけるタイムチャートでは、横軸における時間の表示が省略されており、図中の期間Ｔｃは素子抵抗の検出周期を表している。

図９において、まず、ステップＳ４１１でＳ／Ｈ回路７０によるサンプルホールド機能がそれまでのサンプル状態からホールド状態に設定され、現在のＡ／Ｆ信号が保持される（図１０の時刻ｔ０１）。そして、ステップＳ４１２で所定時間Ｔ０１が経過するまで待って（図１０の時刻ｔ０１〜時刻ｔ０２）、ステップＳ４１３に移行し、図６に示す素子抵抗検出処理が実行される。次にステップＳ４１４でＡ／Ｆセンサ３０の出力変動が収まるまでの時間としての所定時間Ｔ０２が経過するまで待って（図１０の時刻ｔ０３〜時刻ｔ０４）、ステップＳ４１５に移行し、Ｓ／Ｈ回路７０によるサンプルホールド機能がホールド状態からサンプル状態に設定されたのち（図１０の時刻ｔ０４）、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づくＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの検出時には、Ａ／Ｆセンサ３０における電流変化を遮断すると共に、それ以前のＡ／Ｆに応じたセンサ電流によるＡ／Ｆ信号を保持するものである。

つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒを検出するために、印加電圧を変化させセンサ電流を変化させるのであるが、このときにはＡ／Ｆ信号も変化してしまうため、このときのＡ／Ｆ信号は真のＡ／Ｆ信号ではないことになる。したがって、Ａ／Ｆセンサ３０を用いて素子抵抗Ｒを検出するときには、Ａ／Ｆセンサ３０における電流変化が遮断され、素子抵抗検出のため電圧変化する以前のＡ／Ｆ信号が保持される。これにより、素子抵抗検出時にあっては、Ａ／Ｆ信号は素子抵抗検出タイミング以前のものが保持されるため誤ったＡ／Ｆ信号が用いられることがない。

〈実施例１〉
次に、本発明の実施の形態の第１実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図１１のフローチャートに基づき、図１２のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図１１において、まず、ステップＳ４２１でＡ／Ｆ（酸素濃度）信号検出許可／禁止信号が許可状態から禁止状態に設定される（図１２の時刻ｔ１１）。そして、ステップＳ４２２で所定時間Ｔ１１が経過するまで待って（図１２の時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２）、ステップＳ４２３に移行し、図６に示す素子抵抗検出処理が実行される。次にステップＳ４２４でＡ／Ｆセンサ３０の出力変動が収まるまでの時間としての所定時間Ｔ１２が経過するまで待って（図１２の時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４）、ステップＳ４２５に移行し、Ａ／Ｆ信号検出許可／禁止信号が禁止状態から許可状態に設定されたのち（図１２の時刻ｔ１４）、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づくＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの検出時には、Ａ／Ｆセンサ３０からのＡ／Ｆに応じたセンサ電流によるＡ／Ｆ信号の使用を禁止する信号を出力するものである。

つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒを検出するために、印加電圧を変化させセンサ電流を変化させるのであるが、このときにはＡ／Ｆ信号も変化してしまうため、このときのＡ／Ｆ信号は真のＡ／Ｆ信号ではないことになる。したがって、Ａ／Ｆセンサ３０を用いて素子抵抗Ｒを検出するときには、Ａ／Ｆ信号の使用が禁止される。これにより、素子抵抗検出時にあっては、Ａ／Ｆ信号の使用が禁止されるため，誤ったＡ／Ｆ信号が用いられることがない。

〈実施例２〉
次に、本発明の実施の形態の第２実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図１３のフローチャートに基づき、図１４のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。また、本実施例では実際のＡ／Ｆ信号がリッチ側からリーン側（右上がり）に変化しているときのみについて説明する。本実施例では、図１に示すように、Ｓ／Ｈ（サンプルホールド）回路７０にＬＰＦ（ローパスフィルタ）７１を接続しＡ／Ｆ（酸素濃度）信号を出力するような場合、また、Ａ／Ｆ信号検出許可／禁止信号によりＡ／Ｆ信号の外部読込みを制御する場合に有効である。

即ち、図１５に示すように、実際のＡ／Ｆ信号が変化しているときには、Ｓ／Ｈ（サンプルホールド）回路７０にてホールド状態が解除されサンプル状態とされた時点で、ＬＰＦ７１の影響によりＡ／Ｆ信号が真値に達していない可能性がある。すると、Ａ／Ｆ信号にＬＰＦ７１による誤差分が重畳され誤検出となる。

また、図１６に示すように、外部接続されたＬＰＦによりなまされたＡ／Ｆ信号に対しＡ／Ｆ信号検出許可／禁止信号のみによりＡ／Ｆ信号を検出すると、Ａ／Ｆ信号検出禁止状態からＡ／Ｆ信号検出許可状態とされた時点で、Ａ／Ｆ信号が真値に達していない可能性がある。このときにも、Ａ／Ｆ信号にＬＰＦによるなまし分が重畳され誤検出となる。

このような不具合に対処するため、図１３において、まず、ステップＳ４３１でＳ／Ｈ回路７０によるサンプルホールド機能がそれまでのサンプル状態からホールド状態に設定され、現在のＡ／Ｆ信号が保持される（図１４の時刻ｔ２１）。次にステップＳ４３２に移行して、Ａ／Ｆ（酸素濃度）信号検出許可／禁止信号が許可状態から禁止状態に設定される（図１４の時刻ｔ２１）。そして、ステップＳ４３３で所定時間Ｔ２１が経過するまで待って（図１４の時刻ｔ２１〜時刻ｔ２２）、ステップＳ４３４に移行し、図６に示す素子抵抗検出処理が実行される。次にステップＳ４３５でＡ／Ｆセンサ３０の出力変動が収まるまでの時間としての所定時間Ｔ２２が経過するまで待って（図１４の時刻ｔ２３〜時刻ｔ２４）、ステップＳ４３６に移行し、Ｓ／Ｈ回路７０によるサンプルホールド機能がホールド状態からサンプル状態に設定される（図１４の時刻ｔ２４）。次にステップＳ４３７に移行して、Ａ／Ｆ信号に対するＬＰＦによるなまし分の影響がなくなるまでの時間としての所定時間Ｔ２３が経過するまで待って（図１４の時刻ｔ２４〜時刻ｔ２５）、ステップＳ４３８に移行し、Ａ／Ｆ信号検出許可／禁止信号が禁止状態から許可状態に設定され（図１４の時刻ｔ２５）、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づくＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの検出時には、Ａ／Ｆセンサ３０における電流変化を遮断すると共に、それ以前のＡ／Ｆに応じたセンサ電流によるＡ／Ｆ信号を保持し、Ａ／Ｆセンサ３０からのＡ／Ｆに応じたセンサ電流によるＡ／Ｆ信号の使用を禁止するものである。

つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒを検出するために、印加電圧を変化させセンサ電流を変化させるのであるが、このときにはＡ／Ｆ信号も変化してしまうため、このときのＡ／Ｆ信号は真のＡ／Ｆ信号ではないことになる。したがって、Ａ／Ｆセンサ３０を用いて素子抵抗Ｒを検出するときには、Ａ／Ｆセンサ３０における電流変化が遮断され、素子抵抗検出のため電圧変化する以前のＡ／Ｆ信号が保持され、実際のＡ／Ｆ信号に一致するまでの間のＡ／Ｆ信号の使用が禁止される。これにより、素子抵抗検出時にあっては、Ａ／Ｆ信号は素子抵抗検出タイミング以前のものが保持され、ＬＰＦ等による信号のなまし分も考慮され素子抵抗検出中のＡ／Ｆ信号の使用が禁止されるため誤ったＡ／Ｆ信号が用いられることがない。

〈参考例２〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図１７のフローチャートに基づいて説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

まず、図１８を参照して、マイコン２０の処理タイミングにおける処理内容と負荷について説明する。

図１８において、マイコン２０によりＡ／Ｆセンサ３０を用いて、本来の限界電流（Ａ／Ｆ）検出処理に加え、素子抵抗検出処理及び素子ヒータ制御処理を実行するためには、それぞれ所定の処理時間が必要である。即ち、処理内容“０”として示すように〔限界電流（Ａ／Ｆ）検出処理〕と〔素子抵抗検出処理〕と〔素子ヒータ制御処理〕とが同一の処理タイミングで実行される場合にはマイコン２０の負荷が最も大きい。

これに対して、処理内容“２”として示す〔限界電流（Ａ／Ｆ）検出処理〕と〔素子抵抗検出処理〕とが同一の処理タイミングで実行される場合、または処理内容“３”として示す〔限界電流（Ａ／Ｆ）検出処理〕と〔素子ヒータ制御処理〕とが同一の処理タイミングで実行される場合のマイコン２０の負荷は、処理内容“１”として示す〔限界電流（Ａ／Ｆ）検出処理〕のみが実行される場合よりは当然大きいが処理内容“０”の場合よりも小さくできる。このように、空燃比検出装置で使用されているマイコン２０で最も早い処理タイミングで実行が必要な処理を基準にしてその他の処理を異なる処理タイミングにて実行できるように平滑化することでマイコン２０の処理負荷を押さえることができる。

具体的には、図１７において、まず、ステップＳ１１００で制御開始初期の所定時間Ｔ３２，Ｔ３３が設定される。次にステップＳ１２００に移行して、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔ３１が経過しているかが判定される。この所定時間Ｔ３１は、Ａ／Ｆの検出周期に相当する時間であり、例えば、最も早い処理タイミングのときには４ｍｓ程度である。ステップＳ１２００で所定時間Ｔ３１が経過するとステップＳ１３００に移行し、図５のステップＳ２００と同様な限界電流（Ａ／Ｆ）検出処理として、電流検出回路５０で検出されたセンサ電流Ｉｐ（限界電流）が読込まれ、予めＲＯＭ内に記憶されている特性マップを用いてその時のセンサ電流Ｉｐに対応する内燃機関１０のＡ／Ｆが検出される。このとき、図３に示す特性線Ｌ１を用いてその時のＡ／Ｆ検出結果に応じた電圧ＶｐがＡ／Ｆセンサ３０に印加される。

次に、ステップＳ１４００に移行して、所定時間Ｔ３２が経過しているかが判定される。この所定時間Ｔ３２は、素子抵抗の検出周期に相当する時間であり、制御開始初期では所定時間Ｔ３１と同じ時間に設定され、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温活性化後では例えば、１２８ｍｓに設定される。ステップＳ１４００で所定時間Ｔ３２が経過しているときには、ステップＳ１５００に移行し、図６に示す素子抵抗検出処理が実行される。なお、ステップＳ１４００で所定時間Ｔ３２が経過していないときには、ステップＳ１５００がスキップされる。次にステップＳ１６００に移行し、所定時間Ｔ３３が経過しているかが判定される。この所定時間Ｔ３３は、素子ヒータの制御周期に相当する時間であり、制御開始初期では所定時間Ｔ３１の２倍の時間に設定され、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温活性化後では例えば、１２８ｍｓに設定される。なお、所定時間Ｔ３２と所定時間Ｔ３３とは同じ１２８ｍｓであるが、素子抵抗検出処理と素子ヒータ制御処理とが同一の処理タイミングとならないように予め少しずらしてある。ステップＳ１６００で所定時間Ｔ３３が経過しているときには、ステップＳ１７００に移行し、Ａ／Ｆセンサ３０を活性化温度に保持するためヒータ３１に供給する電力を制御する素子ヒータ制御処理が実行される。なお、ステップＳ１６００で所定時間Ｔ３３が経過していないときには、ステップＳ１７００がスキップされたのち、ステップＳ１２００に戻り同様の処理が繰返し実行される。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づきＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒを検出するための処理とＡ／Ｆセンサ３０を昇温するための処理との実行タイミングを分散するものである。

したがって、最も早い処理タイミングで実行が必要なＡ／Ｆ検出処理を基準にしてその他の素子抵抗検出処理や素子ヒータ制御処理が異なる処理タイミングにて実行できるように平滑化されるため、マイコン２０の処理負荷を押さえることができる。

〈参考例３〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図１９のフローチャートに基づき、図２０のタイムチャートを参照して説明する。なお、図２０（ａ）は本実施例の作用を表し、図２０（ｂ）は本実施例の変化量制限を加えない場合を表す比較例である。また、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図１９において、まず、ステップＳ４４１で図６に示す素子抵抗検出処理が実行され、素子抵抗Ｒが算出される。次にステップＳ４４２に移行し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中であるかが判定される。ステップＳ４４２の判定条件が成立し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中であるときにはステップＳ４４３に移行し、素子抵抗検出値の変化量制限値ｄＲがｄＲ０（例えば、５０Ω）に設定される（図２０（ａ）参照）。一方、ステップＳ４４２の判定条件が成立せず、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後、即ち、Ａ／Ｆセンサ３０が活性化温度に達しているときにはステップＳ４４４に移行し、素子抵抗検出値の変化量制限値ｄＲが昇温中のｄＲ０より小さなｄＲ１（例えば、１０Ω）に設定される（図２０（ａ）参照）。ステップＳ４４３またはステップＳ４４４の処理ののちステップＳ４４５に移行し、前回の素子抵抗からステップＳ４４１で算出された今回の素子抵抗Ｒを減算した値の絶対値が変化量制限値ｄＲ以下であるかが判定される。ステップＳ４４５の判定条件が成立せず絶対値が変化量制限値ｄＲを越えているときには、ステップＳ４４６に移行し、今回の素子抵抗Ｒが前回の素子抵抗から変化量制限値ｄＲを越えて大きいときには、前回の素子抵抗に変化量制限値ｄＲを加算した抵抗値が今回の素子抵抗Ｒに置換えられ、また、今回の素子抵抗Ｒが前回の素子抵抗から変化量制限値ｄＲを越えて小さいときには、前回の素子抵抗から変化量制限値ｄＲを減算した抵抗値が今回の素子抵抗Ｒに置換えられたのち、本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ４４５の判定条件が成立し絶対値が変化量制限値ｄＲ以下であるときには、ステップＳ４４６をスキップしステップＳ４４１で算出された今回の素子抵抗Ｒそのままとして本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づきＡ／Ｆセンサ３０で検出される素子抵抗Ｒに対する変化量を制限するものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの変化が許容範囲の変化量、即ち、図２０（ｂ）から図２０（ａ）に表されるように制限され、Ａ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗変化が所定の範囲の変化量までに制限されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

また、本実施例は、変化量制限値ｄＲを所定の条件に基づき変更するものである。したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒを素子使用状態に応じて適切な変化量の許容範囲によって丸めることができる。このため、素子抵抗Ｒの変化量制限値ｄＲ０，ｄＲ１をＡ／Ｆセンサ３０の昇温動作に限らず、例えば、内燃機関１０の運転状態により変更してＡ／Ｆセンサ３０に対して安定した制御を実行させることができる。

そして、本実施例は、変化量制限値ｄＲをＡ／Ｆセンサ３０の昇温中では大きく設定し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後では小さく設定するものである。即ち、昇温中と昇温終了後でＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒに対する変化量の許容範囲を変えることで、Ａ／Ｆセンサ３０に要求されている早期活性化を実現させながら安定した制御を実行させることができる。

〈参考例４〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図２１のフローチャートに基づき、図２２のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図２１において、まず、ステップＳ４５１で図６に示す素子抵抗検出処理が実行され、素子抵抗Ｒが算出される。次にステップＳ４５２に移行し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中であるかが判定される。ステップＳ４５２の判定条件が成立し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中であるときにはステップＳ４５３に移行し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）のカットオフ周波数ｄｆｃがｄｆｃ０に設定される（図２２に示す昇温中における素子抵抗Ｒのやや大きな変動参照）。一方、ステップＳ４５２の判定条件が成立せず、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後、即ち、Ａ／Ｆセンサ３０が活性化温度に達しているときにはステップＳ４５４に移行し、ＬＰＦのカットオフ周波数ｄｆｃがｄｆｃ１に設定される（図２２に示す昇温終了後における素子抵抗Ｒの小さな変動参照）。ステップＳ４５３またはステップＳ４５４の処理ののちステップＳ４５５に移行し、ステップＳ４５１で算出された素子抵抗ＲがＬＰＦ処理後における素子抵抗Ｒに置換えられたのち、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づきＡ／Ｆセンサ３０で検出される素子抵抗Ｒに対し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過させるものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの変化が許容範囲の変化量となるように制限され、Ａ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗変化に対して十分な応答性を持つＬＰＦを通過させることで、素子抵抗変化が正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

また、本実施例は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）のカットオフ周波数ｄｆｃを所定の条件に基づき変更するものである。したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒが素子使用状態に応じて正常な素子抵抗変化に対して十分な応答性を持つようにＬＰＦのカットオフ周波数を変化させる。即ち、素子抵抗検出で通過されるＬＰＦのカットオフ周波数ｄｆｃ０，ｄｆｃ１をＡ／Ｆセンサ３０の昇温状態に限らず、例えば、内燃機関１０の運転状態により変更される。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０に対して安定した制御を実行させることができる。

そして、本実施例は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）のカットオフ周波数ｄｆｃをＡ／Ｆセンサ３０の昇温中では高く設定し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後では低く設定するものである。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中の素子抵抗変化に対し十分な応答性を持つＬＰＦとＡ／Ｆセンサ３０の昇温終了後の素子抵抗変化に対し十分な応答性を持つＬＰＦとを昇温中と昇温終了後で切換えることで、Ａ／Ｆセンサ３０に要求されている早期活性化を実現させながら安定した制御を実行させることができる。

〈参考例５〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図２３のフローチャートに基づき、図２４のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図２３において、まず、ステップＳ４６１で図６に示す素子抵抗検出処理が実行され、素子抵抗Ｒが算出される。次にステップＳ４６２に移行し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中であるかが判定される。ステップＳ４６２の判定条件が成立し、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中であるときにはステップＳ４６３に移行し、素子抵抗検出値の変化量制限値ｄＲがｄＲ０（例えば、５０Ω）に設定される（図２４に示す昇温中における素子抵抗Ｒのやや大きな変動参照）。一方、ステップＳ４６２の判定条件が成立せず、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後、即ち、Ａ／Ｆセンサ３０が活性化温度に達しているときにはステップＳ４６４に移行し、素子抵抗検出値の変化量制限値ｄＲが昇温中のｄＲ０より小さなｄＲ１（例えば、１０Ω）に設定される（図２４に示す昇温中における素子抵抗Ｒの小さな変動参照）。ステップＳ４６３またはステップＳ４６４の処理ののちステップＳ４６５に移行し、前回の素子抵抗からステップＳ４６１で算出された今回の素子抵抗Ｒを減算した値の絶対値が変化量制限値ｄＲ以下であるかが判定される。ステップＳ４６５の判定条件が成立せず絶対値が変化量制限値ｄＲを越えているときには、ステップＳ４６６に移行し、今回の素子抵抗Ｒが前回の素子抵抗から変化量制限値ｄＲを越えて大きいときには、前回の素子抵抗に変化量制限値ｄＲを加算した抵抗値が今回の素子抵抗Ｒに置換えられ、また、今回の素子抵抗Ｒが前回の素子抵抗から変化量制限値ｄＲを越えて小さいときには、前回の素子抵抗から変化量制限値ｄＲを減算した抵抗値が今回の素子抵抗Ｒに置換えられる。一方、ステップＳ４６５の判定条件が成立し絶対値が変化量制限値ｄＲ以下であるときには、ステップＳ４６６をスキップしステップＳ４６１で算出された今回の素子抵抗Ｒそのままとされる。次にステップＳ４６７に移行して、算出された素子抵抗ＲがＬＰＦ処理後における素子抵抗Ｒに置換えられたのち、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づきＡ／Ｆセンサ３０で検出される素子抵抗Ｒに対する変化量を制限すると共に、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過させるものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの変化が許容範囲の変化量となるように制限され、かつＬＰＦ処理されるためＡ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗変化が所定の範囲の変化量までに制限され、素子抵抗変化に対して十分な応答性を持つＬＰＦ処理されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

〈参考例６〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出の処理手順を示す図２５のフローチャートに基づき、図２６のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図２５において、まず、ステップＳ４７１で図６に示す素子抵抗検出処理が実行され、素子抵抗Ｒが算出される。次にステップＳ４７２に移行し、今回検出された素子抵抗と（ｎ−１）回前までの素子抵抗とのｎ個の素子抵抗が平均化される（図２６に示す素子抵抗Ｒの所定幅の小さな変動参照）。次にステップＳ４７３に移行して、（ｎ−１）回前の素子抵抗が消去され、代わりに今回検出された素子抵抗が記憶される。次にステップＳ４７４に移行して、ステップＳ４７２で平均化され求められた値が素子抵抗Ｒｘに置換えられ、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、電圧変化量ΔＶに伴う電流変化量ΔＩに基づきＡ／Ｆセンサ３０で検出される複数の素子抵抗Ｒを平均化するものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒの変化が平均化され、異常データの影響が押さえられるためＡ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と大きく異なることが防止される。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗変化が平均化されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。そして、微小な変化による影響を受けないため正常な素子抵抗の変化による制御には影響を与えることがなく、検出された素子抵抗に基づく素子ヒータ制御等で求める応答性が得られる。

〈参考例７〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出後にＡ／Ｆセンサ３０に対する印加電圧演算の処理手順を示す図２７のフローチャートに基づき、図２８のタイムチャートを参照して説明する。なお、図２８（ａ）は本実施例の作用を表し、図２８（ｂ）は本実施例のマップ選択範囲に制限を加えない場合を表す比較例である。また、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図２７において、まず、ステップＳ５０１でＡ／Ｆセンサ３０でＡ／Ｆを検出するときに印加される電圧を、そのときの素子抵抗をパラメータとして算出するための印加電圧マップが固定される条件が成立しているかが判定される。ここでは、昇温により素子抵抗が例えば、５０Ω未満となりＡ／Ｆセンサ３０がほぼ活性化状態に達しているかが判定される。ステップＳ５０１の判定条件が成立するときには、ステップＳ５０２に移行し、固定条件成立後の印加電圧マップが選択される（図２８（ａ）に示す昇温終了後におけるマップ選択の固定参照）。一方、ステップＳ５０１の判定条件が成立しないときには、ステップＳ５０３に移行し、そのときの素子抵抗によって印加電圧マップが選択される。ステップＳ５０２またはステップＳ５０３による処理ののち、ステップＳ５０４に移行し、選択された印加電圧マップに基づきＡ／Ｆセンサ３０に印加する電圧が算出され、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、Ａ／Ｆを検出するときにＡ／Ｆセンサ３０に印加した電圧を、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒをパラメータとして予め設定されたマップに基づき変化させる際、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後では前記マップの選択範囲を制限するものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０でＡ／Ｆを検出するときにＡ／Ｆセンサ３０に印加された電圧が素子抵抗Ｒをパラメータとしたマップに基づき変化されるが、昇温終了後では素子抵抗Ｒの変化が少ないとしてマップが固定されるためＡ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と異なることからセンサに印加される電圧が異常となり、酸素濃度検出値が真値と異なることが防止できる。即ち、昇温終了後ではＡ／Ｆセンサ３０の大きな素子抵抗変化が無視されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。

〈参考例８〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出後にＡ／Ｆセンサ３０に対する印加電圧演算の処理手順を示す図２９のフローチャートに基づき、図３０のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図２９において、まず、ステップＳ５１１で今回の素子抵抗が前回の素子抵抗以上であるかが判定される。ここでは、前回の印加電圧マップ選択時の素子抵抗と今回の印加電圧マップ選択時の素子抵抗とが比較され、素子抵抗の変化方向が判定される。ステップＳ５１１の判定条件が成立し、素子抵抗が増加しているときにはステップＳ５１２に移行し、素子抵抗が増加しているときの印加電圧マップ選択基準によって、印加電圧マップが選択される（図３０に示すマップ選択の高温側への移行参照）。一方、ステップＳ５１１の判定条件が成立せず、素子抵抗が減少しているときにはステップＳ５１３に移行し、素子抵抗が減少しているときの印加電圧マップ選択基準によって、印加電圧マップが選択される（図３０に示すマップ選択の安定参照）。ステップＳ５１２またはステップＳ５１３による印加電圧マップ選択処理ののち、ステップＳ５１４に移行し、選択された印加電圧マップに基づきＡ／Ｆセンサ３０に印加する電圧が算出される。次にステップＳ５１５に移行して、今回の印加電圧マップ選択に用いた素子抵抗が次回の印加電圧マップ選択に用いるために記憶され、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、Ａ／Ｆを検出するときにＡ／Ｆセンサ３０に印加した電圧を、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒをパラメータとして予め設定されたマップに基づき変化させる際、前記マップの選択の判定にヒステリシスを持たせるものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０でＡ／Ｆを検出するときにＡ／Ｆセンサ３０に印加された電圧が素子抵抗Ｒをパラメータとしたマップに基づき変化されるが、このマップを選択するときの判定には、通常、昇温によりＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗が徐々に減少するため素子抵抗の変化の方向によりマップ選択が逆行しないようにされるためＡ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と異なることからセンサに印加される電圧が異常となり、酸素濃度検出値が真値と異なることが防止できる。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の大きな素子抵抗変化が無視されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。

〈参考例９〉
次に、Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコン２０の制御における素子抵抗検出後にＡ／Ｆセンサ３０に対する印加電圧演算の処理手順を示す図３１のフローチャートに基づき、図３２のタイムチャートを参照して説明する。なお、本実施例の空燃比検出装置の概略構成等は図１乃至図４と同様であり詳細な説明を省略する。

図３１において、まず、ステップＳ５２１で今回の素子抵抗が前回の素子抵抗以上であるかが判定される。ここでは、前回の印加電圧マップ選択時の素子抵抗と今回の印加電圧マップ選択時の素子抵抗とが比較され、素子抵抗の変化方向が判定される。ステップＳ５２１の判定条件が成立し、素子抵抗が増加しているときにはステップＳ５２２に移行し、素子抵抗が増加しているときの印加電圧マップ選択基準によって、印加電圧マップが選択される（図３２に示すマップ選択の高温側への移行参照）。一方、ステップＳ５２１の判定条件が成立せず、素子抵抗が減少しているときにはステップＳ５２３に移行し、素子抵抗が減少しているときの印加電圧マップ選択基準によって、印加電圧マップが選択される（図３２に示すマップ選択の安定参照）。

ステップＳ５２２またはステップＳ５２３による印加電圧マップ選択処理ののち、ステップＳ５２４に移行し、Ａ／Ｆセンサ３０でＡ／Ｆを検出するときに印加される電圧を、そのときの素子抵抗をパラメータとして算出するための印加電圧マップが固定される条件が成立しているかが判定される。ここでは、昇温により素子抵抗が例えば、５０Ω未満となりＡ／Ｆセンサ３０がほぼ活性化状態に達しているかが判定される。ステップＳ５２４の判定条件が成立するときには、ステップＳ５２５に移行し、固定条件成立後の印加電圧マップが選択される（図３２に示す昇温終了後におけるマップ選択の固定参照）。一方、ステップＳ５２４の判定条件が成立しないときには、ステップＳ５２５がスキップされる。次にステップＳ５２６に移行して、選択された印加電圧マップに基づきＡ／Ｆセンサ３０に印加する電圧が算出される。次にステップＳ５２７に移行して、今回の印加電圧マップ選択に用いた素子抵抗が次回の印加電圧マップ選択に用いるために記憶され、本ルーチンを終了する。

このように、本実施例は、電圧の印加に伴い排ガス中のＡ／Ｆ（酸素濃度）に応じたセンサ電流（電流信号）を出力するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置であって、Ａ／Ｆを検出するときにＡ／Ｆセンサ３０に印加した電圧を、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒをパラメータとして予め設定されたマップに基づき変化させる際、前記マップの選択の判定にヒステリシスを持たせると共に、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温終了後では前記マップの選択範囲を制限するものである。

したがって、Ａ／Ｆセンサ３０でＡ／Ｆを検出するときにＡ／Ｆセンサ３０に印加された電圧が素子抵抗Ｒをパラメータとしたマップに基づき変化されるが、このマップを選択するときの判定には、通常、昇温によりＡ／Ｆセンサ３０の素子抵抗が徐々に減少するため素子抵抗の変化の方向によりマップ選択が逆行しないようにされ、昇温終了後では素子抵抗Ｒの変化が少ないとしてマップが固定されるためＡ／Ｆセンサ３０による制御の実行範囲を正常範囲に納めることができる。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出時において、センサ信号が微小信号であることで内燃機関の運転状態、センサ信号の配線状態等からノイズが重畳され、検出された素子抵抗値が真値と異なることからセンサに印加される電圧が異常となり、酸素濃度検出値が真値と異なることが防止できる。即ち、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温中では素子抵抗の変化の方向が考慮され、昇温終了後では大きな素子抵抗変化が無視されることで正常な制御範囲を逸脱しないようにできる。

ところで、上記実施例では、Ａ／Ｆ（空燃比）を酸素濃度に応じた電流信号として検出するＡ／Ｆセンサ３０の制御装置について述べたが、このＡ／Ｆセンサ３０としては１セル式の限界電流式酸素濃度センサに限らず２セル式の酸素濃度センサでもよい。また、コップ型の酸素濃度センサに限らず積層型の酸素濃度センサでもよい。

また、上記実施例では、ガス濃度センサの制御装置に用いるガス濃度センサとして、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ３０について述べたが、その他のガス濃度センサとして、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ１００について、図３３を参照して説明する。なお、図３３は、ＮＯｘ濃度センサ１００の先端部の要部構成を示す断面模式図であり、このＮＯｘ濃度センサ１００は所定の筒状ハウジング内に収容され、図１に示すＡ／Ｆセンサ３０と同様、内燃機関１０の下流側に接続された排気通路１２に配設される。

図３３において、ＮＯｘ濃度センサ１００は、主として、固体電解質ＳＥＡと一対の電極１２１，１２２からなる酸素ポンプセル１２０、固体電解質ＳＥＢと一対の電極１５１，１５２からなる酸素検知セル１５０及び固体電解質ＳＥＢと一対の電極１６１，１６２からなるＮＯｘ検知セル１６０にて構成されている。そして、固体電解質ＳＥＡと固体電解質ＳＥＢとの間には、アルミナ（酸化アルミニウム）等からなるスペーサ１３０が介設され、このスペーサ１３０に設けられた抜穴により第一の内部空間１３１、第二の内部空間１３２が形成されている。また、固体電解質ＳＥＢの裏面側にはアルミナ等からなるスペーサ１４０が介設され、このスペーサ１４０には長手方向の端縁まで延設された抜穴により基準酸素濃度ガスである大気が導入される大気通路１４１が形成され、更に、各セルを加熱するためのヒータ１７０が積層されている。

酸素ポンプセル１２０は、第一の内部空間１３１内の酸素濃度を所定濃度に保持するためのもので、シート状に形成された酸素イオン導電性の固体電解質ＳＥＡと、その両面の対向位置にスクリーン印刷等により形成された一対の電極１２１，１２２からなる。酸素イオン導電性の固体電解質ＳＥＡとしては例えば、イットリア添加ジルコニア等が用いられる。

固体電解質ＳＥＡ及び一対の電極１２１，１２２を貫通して、所定の径寸法のピンホール１１１が形成されている。このピンホール１１１の径寸法は、これを通過して第一の内部空間１３１に導入される排気ガスの拡散速度が所定の速度となるように適宜設定される。また、排気ガス側の電極１２１及びピンホール１１１を被覆して、多孔質アルミナ等からなる多孔質保護層１１３が形成されており、電極１２１の被毒やピンホール１１１が排気ガスに含まれる煤等で目詰まりするのが防止される。

酸素検知セル１５０は第一の内部空間１３１内の酸素濃度を検出するもので、ジルコニア等からなるシート状の固体電解質ＳＥＢと、その両面の対向位置にスクリーン印刷等により形成された一対の電極１５１，１５２からなる。一対の電極１５１，１５２のうち、電極１５１は例えば、多孔質Ｐｔ（白金）電極からなり大気通路１４１に露出して形成され、この電極１５１と固体電解質ＳＥＢを挟んで対向する電極１５２は第一の内部空間１３１に露出して形成されている。この電極１５２は酸素ポンプセル１２０の電極１２２と同様、ＮＯｘの還元に対して不活性であり、酸素の還元に対して活性であるように電極活性が調整されている。

ＮＯｘ検知セル１６０はＮＯｘの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出するもので、酸素検知セル１５０と共通の固体電解質ＳＥＢと、その両面の対向位置にスクリーン印刷等により形成された一対の電極１６１，１６２からなる。固体電解質ＳＥＢ に隣接するスペーサ１３０の抜穴にて設けられた第一の内部空間１３１と第二の内部空間１３２との間には絞りとしての連通孔１１２が形成されており、第一の内部空間１３１内の被測定ガスが所定の拡散速度で第二の内部空間１３２内に導入される。

一対の電極１６１，１６２のうち、電極１６１は例えば、多孔質Ｐｔ電極からなり大気通路１４１に露出して形成され、この電極１６１と固体電解質ＳＥＢを挟んで対向する電極１６２は第二の内部空間１３２に露出して形成されている。この電極１６２はＮＯｘの還元に対して活性である例えば、多孔質Ｐｔ電極からなる。このため、第二の内部空間１３２に導入される被測定ガス中のＮＯｘは、電極１６２にて還元分解され酸素と窒素とが生成される。

更に、ヒータ１７０はアルミナ等からなるヒータシート１７３面にヒータ電極１７１が形成されている。ヒータ電極１７１としては、通常、Ｐｔ電極が用いられ、その上面にはアルミナ等からなる絶縁層１７２が形成されている。ヒータ電極１７１や各電極のリード部には図示しないリードが接続されセンサ基部の端子に接続されている。

上述のように構成されたＮＯｘ濃度センサ１００の作動について以下に説明する。被測定ガスである排気ガスは、ピンホール１１１を通って第一の内部空間１３１に導入される。酸素検知セル１５０では、第一の内部空間１３１に面する電極１５２と大気が導入される大気通路１４１に面する電極１５１との酸素濃度差に基づき、ネルンストの式で表される起電力が発生される。この起電力の大きさを測定することで、第一の内部空間１３１内の酸素濃度を知ることができる。

酸素ポンプセル１２０では、一対の電極１２１，１２２間に電圧が印加され第一の内部空間１３１内の酸素が出し入れされることにより、第一の内部空間１３１内の酸素濃度が所定の低濃度に制御される。例えば、排気ガス側の電極１２１が（＋）極となるように所定の電圧が印加されると、第一の内部空間１３１側の電極１２２上で酸素が還元され酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１２１側に排出される。一対の電極１２１，１２２間への通電量は、酸素検知セル１５０の一対の電極１５１，１５２間に発生する起電力が所定の一定値となるようにフィードバック制御され、第一の内部空間１３１内の酸素濃度が一定とされる。ここで、第一の内部空間１３１に面する電極１２２，１５２は酸素の還元に対しては活性であるが、ＮＯｘの還元に対しては不活性であるので、第一の内部空間１３１内では、ＮＯｘの分解は起こらず、従って、酸素ポンプセル１２０の作動により第一の内部空間１３１内のＮＯｘ量が変化することはない。

酸素ポンプセル１２０及び酸素検知セル１５０により一定の低酸素濃度となった排気ガスは、連通孔１１２を通って第二の内部空間１３２内に導入される。第二の内部空間１３２に面するＮＯｘ検知セル１６０は、ＮＯｘに対して活性であるので、電極１６１が（＋）極となるように一対の電極１６１，１６２間に所定の電圧が印加されると、電極１６２上でＮＯｘが還元分解され、ＮＯｘ分子内の酸素原子による酸素イオン電流が流れる。この電流値が測定されることで排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を検出することができる。

上述の構成からなるＮＯｘ濃度センサ１００における酸素ポンプセル１２０の一対の電極１２１，１２２間、酸素検知セル１５０の一対の電極１５１，１５２間、ＮＯｘ検知セル１６０の電極１６１，１６２間にそれぞれ電圧を印加するタイミングと素子抵抗を検出するタイミングとを区別することで、ＮＯｘ濃度センサ１００によるＮＯｘ濃度検出値の異常が防止される。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０と同様、ＮＯｘ濃度センサ１００においても電圧の印加に伴って流れるセンサ電流（限界電流）からＮＯｘ濃度を検出するのであるが、例えば、ＮＯｘ濃度センサ１００にて素子抵抗を検出するときにはＮＯｘ濃度センサ１００における電流変化が遮断され、素子抵抗検出のため電圧変化される以前のＮＯｘ濃度信号が保持されることで、誤ったＮＯｘ濃度信号が用いられることが防止される。

このように、ガス濃度センサの制御装置に用いるガス濃度センサとして、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ３０、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ１００について述べたが、本発明を実施する場合には、これらに限定されるものではなく、その他、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等のガス濃度を検出するガス濃度センサを用いたガス濃度センサの制御装置にも同様に応用することができる。

図１は第１実施例乃至第２実施例及び参考例１乃至９にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置の構成を示す概略図である。 図２は図１におけるＡ／Ｆセンサの概略構成を示す断面図である。 図３は本発明の実施の形態の第１実施例乃至第２実施例及び参考例１乃至９にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているＡ／Ｆセンサの電圧−電流特性を示すテーブルである。 図４は本発明の実施の形態の第１実施例乃至第２実施例及び参考例１乃至９にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置におけるバイアス制御回路の電気的構成を示す回路図である。 図５は参考例１のＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンにおける制御のメインルーチンを示すフローチャートである。 図６は図５の素子抵抗検出処理のサブルーチンを示するフローチャートである。 図７は参考例１のＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているＡ／Ｆセンサに印加される電圧変化とそれに伴う電流変化とを示す波形図である。 図８は参考例１のＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているＡ／Ｆセンサの素子温と素子抵抗との関係を示す特性図である。 図９は参考例１のＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図１０は図９における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図１１は本発明の実施の形態の第１実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図１２は図１１における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図１３は本発明の実施の形態の第２実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図１４は図１３における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図１５は本発明の実施の形態の第２実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているＡ／ＦセンサによるＡ／Ｆの変化に対してサンプルホールド機能のみを考慮したときの不具合を示すタイムチャートである。 図１６は本発明の実施の形態の第２実施例にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているＡ／ＦセンサによるＡ／Ｆの変化に対してＡ／Ｆ信号検出許可／禁止機能のみを考慮したときの不具合を示すタイムチャートである。 図１７は参考例２にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図１８は図１７における作用を説明するブロック図である。 図１９は参考例３Ａ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図２０は図１９における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図２１は参考例４にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図２２は図２１における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図２３は参考例５にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図２４は図２３における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図２５は参考例６にかかるＡ／Ｆセンサの制装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図２６は図２５における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図２７は参考例７にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図２８は図２７における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図２９は参考例８にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図３０は図２９における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図３１は参考例９にかかるＡ／Ｆセンサの制御装置が適用された空燃比検出装置で使用されているマイコンの制御における素子抵抗検出の処理手順を示すフローチャートである。 図３２は図３１における作用を具体的に示すタイムチャートである。 図３３はＮＯｘ濃度センサの要部構成を示す断面模式図である。 図３４は従来の素子抵抗検出を説明する波形図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
２０ マイクロコンピュータ（マイコン）
３０ Ａ／Ｆセンサ（酸素濃度センサ）
３１ ヒータ
４０ バイアス制御回路
５０ 電流検出回路
６０ ヒータ制御回路
７０ Ｓ／Ｈ回路（サンプルホールド回路）

Claims (2)

1. 電圧の印加に伴い被検出ガス中のガス濃度に応じた電流信号を出力するガス濃度センサの制御装置であって、
   電圧変化に伴う電流変化に基づく前記ガス濃度センサの素子抵抗の検出時には、前記ガス濃度センサからのガス濃度に応じた電流信号の使用を禁止することを特徴とするガス濃度センサの制御装置。
2. 電圧変化に伴う電流変化に基づく前記ガス濃度センサの素子抵抗の検出時には、前記ガス濃度センサからのガス濃度に応じた電流信号の使用を禁止する時には、それ以前のガス濃度に応じた電流信号を保持することを特徴とする請求項１記載のガス濃度センサの制御装置。
   

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